[發(fā)明專利]一種超聲換能器及其嵌套結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010320274.4
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111473839B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設計）人: 王登攀;楊靖;張毅;張祖?zhèn)?/a>;袁宇鵬;李小飛;梅勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中電科技集團重慶聲光電有限公司
• 主分類號: G01F23/2965
• 分類號: G01F23/2965;B06B1/06
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 王海軍

本發(fā)明屬于一種電與聲的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具體屬于一種超聲換能器及其嵌套結(jié)構(gòu)；所述嵌套結(jié)構(gòu)包括在殼體底部安裝有第一填充體；在第一填充體的頂部安裝有第一功能體；在第一功能體的上表面的中部設置有向上凸起的第二填充體，在第二填充體的頂部設置有第二功能體；第一功能體采用低頻超聲發(fā)射材料，第二功能體采用高頻超聲發(fā)射材料；其中第二功能體的截面面積小于第二填充體的截面面積；第一功能體的截面面積小于第一填充體的截面面積；本發(fā)明嵌套結(jié)構(gòu)中心圓形區(qū)域第一填充體厚度較小，外圍的圓環(huán)區(qū)域第二填充體厚度較大；第一填充體用高頻收發(fā)的壓電薄片作為激勵元件，第二填充體用頻率較低的壓電圓片或壓電圓環(huán)作為激勵元件，實現(xiàn)雙頻點工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種電與聲的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具體屬于一種超聲換能器及其嵌套結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

超聲液位計是非接觸測量中發(fā)展最快的一種儀表。它基于超聲波在被測物體表面產(chǎn)生反射的原理，以及所測距離與時間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)距離的測量。超聲液位計具有測量范圍寬、測量不受介質(zhì)密度和介電常數(shù)的影響等優(yōu)點，適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)，適用范圍廣泛，包括水渠、油罐、氣罐等多種不同場合，還可以應用于粘稠、腐蝕性以及有毒液體等液位測量。

中國專利“一種超聲波液位計改進的振子結(jié)構(gòu)”(201721392541.9)提出了一種可改善液位計盲區(qū)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，通過增加一層加強背稱膠,目的是提高后向聲波的吸收效率，降低其對盲區(qū)的影響。然而，由于超聲換能器有其固有的瞬態(tài)特性，通常需要多個驅(qū)動脈沖激勵后，才能達到穩(wěn)定的信號輸出，因此，僅靠加快拖尾信號的衰減對盲區(qū)的改善效果有限。

超聲波液位計的盲區(qū)和作用距離與工作頻率密切相關(guān)，總體而言，高頻工作時，液位計的盲區(qū)小，作用距離小；低頻工作時，液位計的盲區(qū)大，作用距離大。單頻點工作的超聲液位計可以通過優(yōu)化設計，可同時兼顧一定的盲區(qū)和作用距離，但無法同時實現(xiàn)小盲區(qū)和大作用距離，因此，需要開發(fā)一種多頻點工作的超聲換能器。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述需求，本專利著眼于改善超聲液位計的測量范圍和盲區(qū)，提出了一種多頻點工作的超聲換能器及其嵌套結(jié)構(gòu)。多頻點設計基于以下目的，當液位較低時利用高頻點工作，高頻超聲波周期短，衰減速度快，可有效減小盲區(qū)，并可以提高測量精度；當測量系統(tǒng)需要大量程工作時，可工作在低頻段，低頻超聲波穿透能力強，傳播過程中衰減小，同樣的電壓激勵下，傳播距離更遠，利于實現(xiàn)大量程測液位。該結(jié)構(gòu)可用于埋入式水位計等，用于水渠、路面、河流等液位測量；也可用于其它超聲波液位計，用于儲罐、容器等液位測量。

在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提出了一種超聲換能器的嵌套結(jié)構(gòu)；包括殼體，在殼體底部安裝有第一填充體；在第一填充體的頂部安裝有第一功能體；在第一功能體的上表面的中部設置有向上凸起的第二填充體，在第二填充體的頂部設置有第二功能體；所述第一功能體采用低頻超聲發(fā)射材料，所述第二功能體采用高頻超聲發(fā)射材料；其中所述第二功能體的截面面積小于第二填充體的截面面積；第一功能體的截面面積小于第一填充體的截面面積。

在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明還提出了一種超聲換能器，包括基底，在所述基底的底部安裝有上述嵌套結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明嵌套結(jié)構(gòu)的殼體蓋板中心的圓形區(qū)域第一填充體厚度較小，外圍的圓環(huán)區(qū)域第二填充體厚度較大。第一填充體用高頻收發(fā)的壓電薄片作為激勵元件，第二填充體用頻率較低的壓電圓片或壓電圓環(huán)作為激勵元件，進而實現(xiàn)雙頻點工作。本發(fā)明的嵌套結(jié)構(gòu)還可以進一步擴展為3層或更多的嵌套結(jié)構(gòu)；本發(fā)明當液位較低時利用高頻點工作，高頻超聲波周期短，衰減速度快，可有效減小盲區(qū)，并可以提高測量精度；當測量系統(tǒng)需要大量程工作時，可工作在低頻段，低頻超聲波穿透能力強，傳播過程中衰減小，同樣的電壓激勵下，傳播距離更遠，利于實現(xiàn)大量程測液位。該結(jié)構(gòu)可用于埋入式水位計等，用于水渠、路面、河流等液位測量；也可用于其它超聲波液位計，用于儲罐、容器等液位測量。

附圖說明

圖1為地埋式水位計的安裝應用示意圖；